Foto: Fraunhofer IKTS

Prozessüberwachung

3D-Druck in Echtzeit überwachen

Ein System zur Erkennung von Unregelmäßigkeiten des Druckprozesses, schon während der Fertigung, entwickelt derzeit das Fraunhofer Institut IKTS.

Additive Fertigungsverfahren sind aus der Industrie nicht mehr wegzudenken. Kommt es jedoch zu Fehlern beim Drucken, kann es teuer werden. Diese Verluste lassen sich reduzieren, wenn Unregelmäßigkeiten bereits während des Druckvorgangs erkannt und der Bauteilaufbau zeitnah gestoppt wird. Im gerade gestarteten Projekt ‚AddiLine‘ qualifizieren dafür fünf Projektpartner neben einer Kontrolle der Materialabgabe beim Drucken die Laser-Speckle-Photometrie für die Überwachung des ‚Thermoplastischen 3D-Drucks‘.

Das Thermoplastische 3D-Druck-Verfahren

Laut Fraunhofer IKTS ist der Thermoplastische 3D-Druck (T3DP), ist die bislang einzige additive Fertigungsmethode für keramische Bauteile, die materialunabhängig und zum Aufbau mehrkomponentiger und/oder gradierter Bauteile angewendet werden kann. Das Verfahren beruhe auf der Verwendung von partikelgefüllten thermoplastischen Massen mit niedriger Schmelztemperatur). Die Viskosität der Masse sei dabei relativ niedrig verglichen mit reinen Thermoplast-Materialien, die für das herkömmliche Fused Deposition Modeling (FDM) Anwendung finden. Mit diesem Verfahren können laut IKTS neben Keramiken auch Hartmetalle gedruckt werden. Für eine hohe Prozessstabilität und Qualität der Bauteile wird eine Inline-Prozesskontrolle benötigt. Bisherige Lösungen produzieren zu hohe Datenmengen, deren Auswertung viel Zeit in Anspruch nimmt oder sind für das begrenzte Platzangebot im Drucker zu groß. Zudem können sie keine definierten Materialparameter (z. B. Porosität oder Defekte) prüfen, auf die der Fertigungsprozess abgestimmt werden muss.

Integrierbares Prüfsystem für hochwertige 3D-Druck-Bauteile

Ziel des Projekts ‚AddiLine‘ ist die Entwicklung eines Mess-Systems mit zwei Komponenten. Die erste Komponente überwacht mittels Lichtschranke, ob das zu verdruckende Material den Drucker tatsächlich verlässt. Dies ist Voraussetzung für eine korrekte Anbindung der Materialtropfen untereinander, so dass keine Lufteinschlüsse entstehen. Die zweite Komponente, die integrierte Laser-Speckle-Photometrie (LSP), prüft berührungslos die vorher festgelegten Parameter der entstehenden Struktur in Echtzeit. Die zu entwickelnde berührungslose Prüftechnik soll als kostengünstiges System mit flexiblem und robustem optischen Aufbau realisiert werden. Um dessen Einsatz unter Produktionsbedingungen zu testen, wird das modulare System mit beiden Komponenten in eine T3DP-Anlage integriert. „Der Anlagendemonstrator bildet so die Grundlage für eine völlig neuartige additive Fertigungstechnologie, die die Herstellung für ein breites Materialspektrum von hochwertigen Single- und Multimaterial-Bauteilen ermöglicht“ fasst Dr. Beatrice Bendjus, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer IKTS, zusammen.

Gebündelte Kompetenz für ein breites Einsatzspektrum

Das Vorhaben erfordert das Einbringen vielfältiger Kompetenzen: Neben den Industriepartnern Hoyer Montagetechnik GmbH, Vermes Microdispensing GmbH, Thomas Werner Industrielle Elektronik e. Kfm und Viimagic GmbH wirkt das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS im Projekt mit. Die Partner zeigen sich optimistisch, dass mit dem Prüfsystem zukünftig verschiedene Materialgruppen auf weitere physikalische, mechanische sowie thermische Eigenschaften untersucht werden können. Damit sollen wichtige Impulse für den Einsatz des Verfahrens in der Keramikindustrie, für Bohr- und Fräswerkzeuge, aber auch in der Medizin sowie dem Maschinen- und Anlagenbau gegeben werden. Das Projekt „Laser-gestützte Inline-Überwachung der additiven Fertigung von Keramiken und Hartmetallen“ läuft bis zum Frühjahr 2021 und wird innerhalb der Fördermaßnahme „Photonik für die flexible, vernetzte Produktion – Optische Sensorik“ im Rahmen des Programms „Photonik Forschung Deutschland“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

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